Устройство для ступенчатого цементирования скважин Советский патент 1993 года по МПК E21B33/14 

Изобретение относится к бурению скважин, а конкретно к устройствам с пакерую- щим элементом для ступенчатого и цементного цементирования скважин при креплении их обсадными колоннами.

Известно устройство для ступенчатого цемейтирования скважин, устанавливаемое на коИонне обсадных труб и содержащее полый корпус с впускными и циркуляционными каналами, перекрытыми снаружи втулочным клапаном, размещенную в корпусе подвижную втулку с радиальными канала- Ми, упорным кольцом и подвижными седлами под запорную и продавочную пробки,и

узел пакерующего элемента, установленный на корпусе и связанный с втулочным клапаном.

Недостатком устройства является сложность конструкции его клапанного узла и возможность в связи с этим ненадежного закрытия его циркуляционных отверстий перекрывающей втулкой при посадке верхней продавочной пробки в устройство в момент окончания цементирования скважины.

Известно также устройство для ступенчатого цементирования скважин, устанавливаемое на колонне обсадных труб и

vj ю ел о

00

включающее полый корпус с впускными каналами в полость пакерующего элемента и циркуляционными отверстиями, установленные в корпусе нижнюю и верхнюю подвижные втулки с седлами под запорный элемент и продавочную пробку.

Недостатком устройства является затрудненное перемещение верхней втулки в крайнее нижнее положение для герметичного закрытия циркуляционных отверстий -корпуса при посадке на верхнее седло про- давочной пробки в момент окончания цементирования скважины, выше устройства.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и назначению является устройство для ступенчатого цементирования скважин, устанавливаемой на колонне обсадных труб и включающее полый корпус с впускными, осевыми и циркуляционными каналами, нижнюю втулку с упорным кольцом и радиальными каналами, установленную в корпусе на срезных элементах, подвижное седло под запорный элемент с впускными отверстиями, перекрывающее радиальные каналы нижней втулки и зафиксированное в ней срезными элементами, верхнюю втулку с фиксатором и седлом под продавочную пробку, образующую с корпусом кольцевую полость, ствол с осевыми каналами, жестко связанный с корпусом, и узел пакерующего элемента, установленный на стволе против выхода его осевых каналов.

Недостатком устройства является то, что в нем не обеспечивается использование высокопрочных пакерующих элементов, требующих увеличенных давлений пакеров- ки, и связанных с ними усилий для повышения их герметизирующей способности и, таким образом, надежности работы устройства в целом. При создании увеличенных давлений пакеровки в проходном канале устройства затрудняется обеспечение последовательного перемещения седла с запорной пробкой и нижней втулки для открытия впускных каналов, их последующего закрытия и открытия после этого циркуляционных каналов устройства. Это, в свою очередь, может затруднять также надежное перемещение верхней втулки вниз для герметичного закрытия циркуляционных каналов и необходимость создания для этого повышенных давлений в момент окончания цементирования скважины выше устройства. Отрицательное слияние оказывается при этом и на работу резиновых уплотнений нижней и верхней втулок из-за резких измерений перепадов давлений в момент открытия и закрытия циркуляционных каналов устройства. Все это значительно ухудшает

условия работы подвижных втулок, затрудняя их перемещение под действием усилий от перепадов давлений, и может привести в итоге к неправильному срабатыванию устройства в скважине.

Цель изобретения - повышение надежности работы устройства с применением высокопрочных пакерующих элементов за счет возможности увеличения давления пакеровки при одновременном снижении перепадов давлений при открытии и закрытии циркуляционных каналов корпуса.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для ступенчатого це5 ментирования скважин, включающем полый корпус с циркуляционными, впускными и осевыми каналами, нижнюю втулку с упорным кольцом и радиальными каналами, помещенную в корпусе и зафиксированную в

0 нем срезными элементами, посадочное сед- ло с впускными отверстиями, перекрывающее радиальные каналы нижней втулки и зафиксированное срезными элементами относительно последней, верхнюю втулку с

5 посадочным седлом, образующую с корпусом кольцевую полость, ствол с осевыми каналами, жестко связанный с корпусом, и узел пакерующего элемента, установленный на стволе против выхода его осевых

0 каналов, оно снабжено кожухом, размещенным снаружи ствола и образующим с ним кольцевую рабочую полость, связанную с осевыми каналами корпуса и ствола, и кольцевым поршнем, помещенным в кольцевой

5 рабочей полости с возможностью взаимодействия с узлом пакерующего элемента, корпус выще и ниже его циркуляционных каналов выполнен с разгрузочными каналами, а узел пакерующего элемента выполнен

0 в виде секций уплотнительных манжет из упруго-расширяющихся материалов и кольцевой распорной втулки, помещенной между секциями уплотнительных манжет с возможностью ее осевого перемещения и

5 образующей со стволом дополнительную кольцевую рабочую полость, гидравлически связанную с его осевыми каналами, при этом секции узла пакерующего элемента выполнены из резино-тканевого или резино0 металлического материала с тросовым силовым каркасом..

На фиг. 1 изображено устройство в исходном положении; на фиг. 2 - вариант фиксации верхней втулки устройства в

5 исходном положении: на фиг. 3 - устройство при проведении операции пакеровки скважины; на фиг. 4 и 5 - устройство в момент открытия его циркуляционных каналов; на фиг. 6 и 7 - устройство в момент закрытия его циркуляционных каналов; на фиг. 8 вариант фиксации верхней в тулки устройства в рабочем положении.

Устройство содержит полый корпус с центральным 2, впускными 3, осевыми 4, циркуляционными 5 и разгрузочными б каналами и внутренними кольцевыми выступами 7 и 8 выше них; соединенный жестко с корпусом 1 верхний переводник 9 с защитной втулкой 10; нижнюю втулку 11с упорный кольцом 12, радиальными каналами 13 и фиксатором 14, закрепленную в корпусе на срезных элементах 15; посадочное седло 16 р впускными отверстиями 17, перекрывающее радиальные каналы 13 нижней втулки 11 и закрепленное в ней срезными злемен- таМи 18; верхнюю ступенчатую втулку 19 с посадочным седлом 20, фиксатором 21 и наружной кольцевой проточкой 22, образующую с корпусом 1 кольцевую полость 23; стврл 24 с нижним переводником 25 и осе- выйи каналами 26, жестко связанный с кор- пусрм 1, и узел пакерующего элемента 27, установленный на стволе 24 против выхода его осевых каналов 26. Устройство имеет кожух 28, размещенный снаружи ствола 24 и образующий с ним кольцевую рабочую полрсть 29, связанную с осевыми каналами 4 и 26 корпуса 1 и ствола 24, и кольцевой порщень 30 с канавками 31, помещенный в кольцевой рабочей полости 29 с возможно- стьк) взаимодействия с узлом пакерующего элемента 27. Кожух 28 выполнен из верхней 32 и нижней 33 частей, соединенных жестко и закреплен на корпусе 1 с помощью винтов 34. Нижняя часть 33 кожуха 28 выполнена в видз цилиндра и имеет пробку 35 для заполнения кольцевой рабочей полости 29 и осевых каналов 4 и 26 несжимаемой жидкостью, кольцевой пружинный фиксатор 36 и срезные элементы 37 для закрепления кольцевого поршня 30, в случае необходимости, в исходном положении. Узел пакерующего элемента 27 устройства выполнен в виде верхней 38 и нижней 39 секций из уплотни- тельных манжет 40 и 41 различной конфигурации и упорных колец 42 и 43.с раскрывающимися лепестками 44, выполненных из упругорасширяющихся материалов. Между секциями 38 и 39 узла пакерующего элемента 2.7 с возможностью осевбго перемещения по стволу 24 установлена Кольцевая распорная втулка 45, которая образует с ним дополнительную кольцевую рабочую полость 46, связанную с осевыми каналами 26. При этом, посадочное седло 16 имеет наружную кольцевую проточку 47, связанную через впускные отверстия 17 с центральным каналом 2 корпуса 1; фиксаторы 14 и 21 нижней 11 и верхней 19 втулок выполнены в виде пружинных колец с зубцами и установлены в кольцевых канавках 48.и 49, на нижней части защитной втулки 10 выполнены кольцевые канавки 50. Герметичность подвижных и неподвижных 5 соединений устройства обеспечивается уплотнительными кольцами 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57. Кольцевая рабочая полость 30 и осевые каналы 4 и 26 заполняются несжимаемой жидкостью, например; трансформа- 10 торным маслом, и герметично закрываются пробкой 35, а кольцевая полость 23 - консистентной смазкой - перед применением устройства. Кроме того (фиг. 2), фиксатор верхней втулки 19 может выполняться в вй5 де пружинных лепестков 58 с наружными выступами 59 на нижней части защитной втулки 10, взаимодействующими соответственно с канавками 60 и 61, верхней втулки 19 в ее исходном и крайнем нижнем поло0 жениях.

Устройство (фиг. 1) через переводники 9 и 25 соединяется с колонной обсадных труб (на чертеже не показана) и спускается на ней в скважину на заданную глубину. При

5 этом давление из заколонного пространства скважины через кольцевой поршень 30 передается на жидкость, заполняющую кольцевые полости 29, 46 и каналы 4, 3, 13 и 26, а через нее - на уплотнительные кольца,

0 обеспечивающие герметичность указанных полостей и каналов. Заполнение кольцевой полости 23 консистентной смазкой исключает образование в ней осадка бурового раствора. Все это вместе способствуетулуч5 шению работы уплотнительных колец на посадочном седле 16, нижней 11 и верхней 19 втулках, обеспечивая тем самым практически постоянные заданные усилия для их перемещения при работе устройства в сква0 жине.

Цементирование скважины ниже устройства (первой ступени) производится через башмак обсадной колонны с использованием нижней продавочной

5 пробки (на чертеже не показана), которая проходит через устройство и дальше до патрубка с упорным кольцом (на чертеже не показаны) над башмаком обсадной колонны, и закрепляется на нем. При этом, воз0 действие заколонного давления на жидкость в каналах 4, 3 и 13 исключает возможность деформации и заклинивания посадочного седла 16 в нижней втулке 11 в процессе цементирования практически при

5 любых возможных перепадах давления между внутренней полостью обсадной колонны и заколонным пространством скважины на глубине спуска устройства.

Приведение устройства в действие (фиг. 3) производится перед цементированием

интервала скважины над ним. Для этого в обсадную колонну пускается запорная пробка 62, движущаяся по ней под действием собственного веса или потока жидкости. Запорная пробка 62 суплотнительным кольцом 63 садится в посадочное седло 16 и перекрывает центральный канал 2 устройства. При заданном избыточном давлении, создаваемом над пробкой 62. разрушаются срезные элементы 18 и седло 16 вместе с -пробкой 62 перемещаются вниз до упорного кольца 12. При этом проточка 47 совмещается с каналами 13 и 3 нижней втулки 11 и корпуса 1 и избыточное давление из центрального канала 2 передается через каналы 4 и рабочую полость 29 на кольцевой поршень 30, и через каналы 26 и кольцевую полость 46 - на распорную втулку 45, Под действием плавно повышаемого в осадной колонне избыточного давления кольцевой поршень 30 разрушает срезные элементы 37 и начинает перемещаться по стволу 24 и жидкость из центрального канала 2 через отверстия 17, Проточку 47 и каналы 13, 3, 4 и 26 закачивается в полости 29 и 46. Одновременно с кольцевым поршнем 30 переме- .щается по стволу 24 и распорная втулка 45, что приводит к осевой и радиальной деформации уплотнительных манжет 40 и 41 в секциях 38 и 39 пакерующего элемента 27, расширению его и герметичному прижатию к стенкам скважины 64. При этом происходит также раскрытие лепестков 44 упорных колец 42 и 43, что предотвращает затекэние крайних уплотнительных манжет 40 в зазор между устройством и скважиной. Сохранение рабочего положения пакерующего элемента 27 обеспечивается при этом фиксатором 36, взаимодействующего с кольцевыми канавками 31 поршня 30.

При дальнейшем повышении давления в обсадной колонне до величины давления пакеровки (фиг. 4) разрушаются срезные элементы 15 и нижняя втулка 11 вместе с посадочным седлом 16 Vi пробкой 62 перемещается вниз, герметично перекрывая впускные каналы 3 и открывая циркуляционные 5 и разгрузочные 6 каналы устройства. При этом жидкость, находящаяся в полостях 29, 46 и каналах 3, 4, 26 под давлением пакеровки, обеспечивает дополнительную фиксацию кольцевого поршня 30 в крайнем нижнем положении, а через него - пакерующего элемента 27 в рабочем положении. Нижняя втулка 11 дополнительно удерживается при этом в нижнем положении фиксатором 14. При перемещении нижней втулки ..11 вниз и прохождении ее верхнего уплотнительного кольца 54 верхних разгрузочных каналов 6 (фиг. 5), через них начинается истечение жидкости из центрального канала 2 устройства в заколонное пространство скважины. При этом происходит резкое снижение перепада давления на уплотнительное кольцо 54 в зазоре между верхней частью нижней втулки 11 и корпусом 1. Это приводит, в свою очередь, к значительному уменьшению связанного с ним усилия, стремящегося вытолкнуть уплотнительное коль0 цо 54 из канавки 65 ПРИ ВЫХОДЕ ЕГО ЗА ВЕРХНЮЮ КРОМКУ циркуляционных каналов 5. За счет этого облегчаются условия работы уплотнительного кольца 54 и исключается возможность его разрушения при от5 крытии циркуляционных каналов 5. При заходе верхнего участка нижней втулки 11 за нижнюю кромку циркуляционных каналов 5 и нижних разгрузочных каналов 6 уплотнительное кольцо 54 практически не

0 испытывает перепада давлений или усилия, выталкивающего его из канавки 65.

После промывки интервала скважины выше устройства (второй ступени) производится его цементирование путем закачива5 ния в обсадную колонну тампонажного раствора и продавливанйя в заколонное пространство через циркуляционные каналы 5. Закрытие циркуляционных каналов 5 устройства (фиг. 6) происходит верхней

0 втулкой 19 в момент окончания процесса цементирования при посадке верхней про- давочной пробки 66 на посадочное седло 20. При этом на верхнюю пробку 66 создается перепад давления, под действием которого

5 верхняя втулка 19с фиксатором 21 и пробкой 66 перемещается вниз и перекрывает циркуляционные 5 и разгрузочные 6 каналы своей нижней частью между уплотнитель- ными кольцами 51 и 52. При этом жидкость

0 из-под верхней пробки 66 выдавливается из центрального канала 2 через циркуляционные и разгрузочные 5 и 6 каналы в заколонное пространство скважины. До выхода нижнего уплотнительного кольца 52 верх5 ней втулки 19 из-под верхней кромки циркуляционных каналов 5 и захода ее верхнего уплотнительного кольца 51 за верхний кольцевой выступ 7, консистентная смазка из кольцевой полости 23 перетекает в кольце0 вую полость 67, образующуюся при перемещении верхней втулки 19 вниз, что создает тормозящий ; эффект на нее. Перед заходом уплотнительного кольца 52 за нижнюю кромку циркуляционных каналов 5 (фиг. 7)

5 на него начинает действовать перепад давления от истечения жидкости по зазору между нижней частью верхней втулки 19 и. корпусом 1 и связанное с этим усилие, стремящееся вытолкнуть кольцо 52 из канавки 68. Благодаря наличию нижних разгрузочных каналов б, перепад давления и выталкивающее усилие на уплотнительное кольцо 52 значительно уменьшаются и оно без по- ме проходит циркуляционные 5 и нижние разгрузочные 6 каналы. При этом облегча- ются условия работы уплотнительного кольца 52 и исключается за счет этого возможность защемления или разрушения его при закрытии циркуляционных каналов 5 верхней втулкой 19. После захода уплот- нительного кольца 51 за кольцевой выступ 7 и захода уплотнительного кольца 52 за нижнюю кромку циркуляционных каналов 5 (фиг, 6) верхняя втулка 19, благодаря своей ступенчатой конструкции, перемещается в крайнее нижнее положение до упора в нижнюю втулку 11 .без воздействия на нее верхней продавочной пробки 66 и перепада давления на нее. Закрепление ее в этом положении происходит фиксатором 21, вза-

имодействующим с кольцевыми канавками 50 защитной втулки 10. Надежность работы фиксатора 21 и герметичность закрытия циркуляционных и разгрузочных каналов 5 и 6 проверяется снижением избыточного давления в обсадной колонне до нуля. При использовании в устройстве варианта фиксатора, как на фиг. 2, ее закрепление в крайнем нижнем положении происходит при заходе выступов 59 пружинных лепестков 58 в верхнюю кольцевую канавку 61 верхней втулки 19 (фиг. 8).

После окончания времени ожидания затвердевания цемента в скважине производится разбуривание верхней продавочной пробки 66, посадочных седел 20 и 16, упорного кольца 12 и верхней части запорной пробки 62, с целью удаления их из центрального канала 2 устройства (фиг. 6).

Использование: при цементировании скважин с применением высокопрочных па- керующих элементов. Обеспечивает возможность увеличения давления пакеровки при одновременном снижении перепада давлений при открытии и закрытии циркуляционных каналов корпуса. Сущность изобретения: устройство содержит корпус с каналами, приводные втулки, ствол с осевыми каналами и уздом пакерующего элемента. Снаружи ствола установлен кожух. Он образует с корпусом кольцевую рабочую полость, в которой помещен кольцевой поршень. Кольцевой поршень установлен с возможностью взаимодействия с узлом пакерующего элемента. Узел пакерующего элемента выполнен в виде секций уплотни- тельных манжет из упругорасширяющихся материалов и кольцевой распорной втулки. Втулка помещена между секциями уплотни- тельных манжет и образует дополнительную кольцевую рабочую полость. 1 з.п. ф-лы, 8 ил. СО С

Ф о р м у л а и з о б р е те н и я i. Устройство для ступенчатого цемен- тирования скважин, включающее полый корпус с циркуляционными, впускными и осевыми каналами, нижнюю втулку с упорным кольцом и радиальными каналами, помещенную в корпусе и зафиксированную в нем Срезными элементами, посадочное седло с впускными отверстиями, перекрывающее радиальные каналы нижней втулки и зафиксированное срезными элементами относительно последней, верхнюю втулку с посадочным седлом, образующую с корпусом кольцевую полость, ствол с осевыми каналами, жестко связанный с корпусом, и узел пакерующего элемента, установленный на стволе против выхода его осевых каналов, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности в работе устройства с применением высокопрочных пакерующих элементов за счет возможности увеличения давления пакеровки при одновременном снижении перепада давлений при открытии и закрытии циркуляционных

каналов корпуса, оно снабжено кожухом, размещенным снаружи ствола и образующим с ним кольцевую рабочую полость, связанную с осевыми каналами корпуса и ствола, и кольцевым поршнем, помещенным в кольцевую рабочую полость с возможностью взаимодействия с узлом пакерующего элемента, при этом корпус выше и ниже его циркуляционных каналов выполнен с разгрузочными каналами, а узел пакерующего элемента - в виде секций уп- лотнительных манжет из упругорасширяю- щихся материалов и кольцевой распорной втулки, помещенной между секциями уплот- нительных манжет с возможностью ее осевого перемещения и образующей со стволом дополнительную кольцевую рабочую полость, гидравлически связанную с его осевыми каналами.

Фиг. 4

Редактор у. Иванова

Составитель Л. Фарукшин

Техред М.МоргенталКорректор н, Милюкова